1.2 直流電路

直流電路的電壓和電流的大小和方向不隨時間的變化而變化。

1.2.1 基本概念

1．電壓

河水之所以能夠流動，是因為有水位差。水總是從高水位流向低水位。電荷之所以能夠流動，是因為有電位差。電路中，任意兩點間的電位差，均被稱為兩點間的電壓。電壓是形成電流的主要條件。在電路中，電壓常用U表示，單位是伏（V），大的計量單位可用千伏（kV）表示，小的計量單位常用毫伏（mV）或微伏（μV）表示。它們之間的關系為

1kV=1000V

1V=1000mV

1mV=1000μV

我國規定的標準電壓等級很多，如直流安全電壓為12V、24V、36V，工業用電直流為110V、220V等，民用市電電壓為交流220V，工業動力用電為交流380V，高壓配電電壓為6kV、10kV，高壓輸電電壓為110kV，遠距離超高壓輸電電壓為330kV和500kV。

電壓可以用電壓表測量。測量時，把電壓表并聯在電路上，要選擇電壓表指針接近滿偏轉的量程。如果電路中的電壓大小估計不出來，要先用大的量程，粗略測量后再用合適的量程，這樣可以防止由于電壓過大而損壞電壓表。

2．電位

放在電場里某點電荷的位能與它的電量之比就是該點的電位，如用U表示電位，A表示電荷q的位能，則

式中，U的單位為V，A的單位為J，q的單位為C。

在指明電路中某點電位時，必須首先確定參考點，設其電位為零，則電路中某點的電位在數值上就等于該點到參考點的電壓。因此，電位的數值與參考點的選擇有關。凡求電位的參考點都用接地符號（┻）表示。這樣的選擇方便計算，無須計算者自由選定參考點。

3．電源

把其他形式的能轉換成電能的裝置叫做電源。例如，發電機能把機械能轉換成電能，干電池能把化學能轉換成電能。干電池、發電機等都叫做電源。

通過整流電路把交流電變成直流電的裝置叫做整流電源。能提供信號的電子設備叫做信號源。晶體三極管能把前面來的信號加以放大，又把放大了的信號傳送到后面的電路中去，晶體三極管對后面的電路來說也可以看成是信號源。整流電源、信號源有時也叫做電源。

4．電動勢

電動勢是反映電源把其他形式的能轉換成電能能力的物理量，電動勢使電源兩端產生電壓。在電路中，電動勢常用E來表示，單位是伏（V）。

5．電位差

電位差就是兩點之間的電位之差。如a、b 兩點的電位分別為10V和5V，則兩點之間的電位差為Uab=10V-5V=5V；反之，Uba=5V-10V=-5V。

6．電流

電荷的定向移動叫做電流。在電路中，電流常用I表示。電流分直流和交流兩種。電流的大小和方向不隨時間變化的叫做直流，電流的大小和方向隨時間變化的叫做交流。電流的單位是安培（A），也常用毫安（mA）或微安（μA）作為單位。它們之間的關系為

1kA=1000A

1A=1000mA

1mA=1000μA

直流電流的方向是從電源的正極流到電源的負極。

電流可以用電流表測量。測量時，把電流表串聯在電路中，要選擇電流表指針接近滿偏轉的量程。如果電路中的電流大小估計不出來，則要先用大的量程，粗略測量后再用合適的量程。這樣可以防止電流過大而損壞電流表。

7．負載

把電能轉換成其他形式的能的裝置叫做負載。例如，電動機能把電能轉換成機械能，電燈泡能把電能轉換成熱能和光能，揚聲器能把電能轉換成聲能。電動機、電阻、電燈泡、揚聲器等都叫做負載。后級的晶體三極管對于前級來說，也可看為負載。

8．電阻

電路中，對電流通過有阻礙作用并且造成能量消耗的元件叫電阻。電阻常用R表示，單位是歐（Ω），也常用千歐（kΩ）或兆歐（MΩ）作為單位。它們之間的關系為

1kΩ=1000Ω

1MΩ=1000000Ω

導體的電阻由導體的材料、橫截面積、長度和溫度決定。一般導線的電阻可由以下公式求得，即

式中，L為導線的長度（m）；S為導線的橫截面積（mm2）；ρ為導線的電阻率（Ω·mm2/m）。

電阻率ρ是電工計算中的一個重要物理常數。不同材料物體的電阻率各不相同。它的數值相當于用這種材料制成長1m、橫截面積為1mm2的導線，在溫度為+20℃時的電阻值。電阻率直接反映著各種材料導電性能的好壞。材料的電阻率越大，表示它的導電性能越差；電阻率越小，則表示導電性能越好。

電阻可以用萬用表歐姆擋測量。測量時，要選擇萬用表指針偏轉量程一半的歐姆擋。如果被測電阻焊接在電路中，則應將其斷開一端后進行測量，人體不能與電阻引線接觸。

常用金屬材料的電阻率見表1-1。

例1 100m長的銅導線，導線直徑D為1mm，求它在20℃時的電阻R。

解：首先計算導線的橫截面積為

查表1-1得銅導線的電阻率ρ=0.0175Ω·mm2/m，則

例2 一根直徑D為1mm的康銅導線，它的電阻R=11.2Ω，求它的長度L。

解：先求出橫截面積S為

查表1-1得康銅導線的電阻率ρ=0.44Ω·mm2/m，則

9．電容

電容是衡量導體儲存電荷能力的物理量。在兩個相互絕緣的導體上加上一定的電壓，它們就會儲存一定的電量。其中一個導體儲存著正電荷，另一個導體儲存著大小相等的負電荷。加上的電壓越大，儲存的電量就越多。儲存的電量和加上的電壓是成正比的，它們的比值叫做電容。如果電壓用U表示，電量用Q表示，電容用C表示，那么

電容的單位是法（F），也常用微法（μF）或皮法（pF）作為單位。它們的關系為

1F=106μF

1F=1012pF

電容可以用電容測試儀測量，也可以用萬用表歐姆擋粗略估測。

10．電感

電感是衡量線圈產生電磁感應能力的物理量。給一個線圈通入電流，線圈周圍就會產生磁場，線圈就有磁通量通過。通入線圈的電流越大，磁場就越強，通過線圈的磁通量就越大。實驗證明，通過線圈的磁通量和通入的電流是成正比的，它們的比值叫做自感系數，也叫做電感。如果通過線圈的磁通量用Φ表示，電流用I表示，電感用L表示，那么

電感的單位是亨（H），也常用毫亨（mH）或微亨（μH）作為單位。它們的關系為

1H=1000mH

1mH=1000μH

11．電能

當電流流過電路時將發生能量轉換。在電源內部，外力不斷克服電場力驅使正、負電荷分別向電源兩極移動而做功，把其他形式的能轉換為電能。通過外電路，電荷不斷地被送到負載，把電能轉換為其他形式的能。

負載消耗的電能等于端電壓與電荷的乘積，電荷又等于電流與時間的乘積，即

式中，A為電能，單位為J；U為端電壓，單位為V；Q為電荷，單位為C。

12．電功

電流做功等于電路消耗的電能，而電路里消耗的電能又等于使電荷在電路里移動所做的功。計算電功的公式為

13．電功率

在單位時間內電路產生或消耗的電能被稱為電功率，簡稱功率，用P表示，單位為W。

式中，P為電功率（W，1W=1J/s）；t為時間（s）。

例3 5A的電流通過4Ω的電阻，經過10s后，計算電流在這段時間內所做的功A和功率P。

解：

A=I 2 Rt=52×4×10=1000（J）

P=I 2 R=52×4=100（W）

例4有一8W、400Ω的線繞電阻，求它的額定電流和最大耐壓值各是多少？

解：

取50V。

14．導體

能良好傳導電流的物體叫做導體。用導體制成的電氣材料叫做導電材料。金屬是常用的導電材料。除了金屬以外，其他如大地、人體、天然水和酸、堿、鹽類及它們的溶液都是導體。

金屬之所以能夠良好地傳導電流，是由其原子結構決定的。金屬原子最外層的電子與原子核結合得比較松散，因此這部分電子很容易脫離自己的原子核與別的原子核去結合，失去電子的原子又有新的電子來結合，這樣一連串的過程就是導電的過程。銀的電阻率最小，導電性能最好，但由于其價格昂貴，只在極少數地方，如開關觸頭等處采用，一般電氣設備中應用最廣泛的是銅和鋁。

還有一些材料雖然能導電，但電阻率較大，人們常常把它作為電阻材料或電熱材料應用于某些電器中，如電爐或電烤箱中的電熱絲等。

15．絕緣體

不能導電或者導電能力極差的物體叫做絕緣體。常見的絕緣體有木頭、石頭、橡皮、玻璃、云母及瓷器等。絕緣體的原子結構與導體不同，其電子和原子核結合得很緊密，而且極難分離，將此類物質接上電源時，流過的電流極小（幾乎接近零）。可以利用它的絕緣作用把電位不同的帶電體隔離開來。

一般來講，對絕緣體材料的要求是具有極高的絕緣電阻和耐電強度、較好的耐熱和防潮性能、較高的機械強度及工藝加工方便等。

空氣是我們大家十分熟悉的，它作為一種自然界的天然絕緣材料而被人們廣泛地加以利用。紙、礦物油、橡膠和陶瓷都是應用非常廣泛的絕緣材料。近年來，由于有機合成工業的興起，各種各樣的絕緣材料不斷問世，為新型電氣設備的制造提供了良好的條件。

絕緣材料在電和熱的長期作用下，特別是在有化學腐蝕的情況下，會逐步老化，降低它原有的電氣和機械性能，有時甚至可能完全喪失絕緣性。所以經常檢查絕緣性能是電氣設備維修中的主要工作之一。絕緣電阻是絕緣材料的主要技術指標。常用兆歐表來測量設備的絕緣電阻。一般低壓電氣設備的絕緣電阻應大于0.5MΩ。對于移動電器和在潮濕地方使用的電器，其絕緣電阻還應再大一點。

16．半導體

所謂半導體，顧名思義，就是它的導電能力介于導體和絕緣體之間，如硅、鍺、硒及大多數金屬氧化物和硫化物都是半導體。

半導體的導電能力在不同條件下有很大的差別，如有些半導體（如鈷、錳、鎳等的氧化物）對溫度的反應特別靈敏，當環境溫度增高時，它們的導電能力要增強很多。利用這種特性就做成了各種熱敏電阻。又如有些半導體（如鎘、鉛等的硫化物與硒化物）受到光照時，它們的導電能力變得很強；當無光照時，又變得像絕緣體那樣不導電。利用這種特性就做成了各種光敏電阻。

更重要的是，如果在純凈的半導體中摻入微量的某種雜質后，則導電能力就可增加幾十萬甚至幾百萬倍。例如，在純硅中摻入百萬分之一的硼后，硅的電阻率就從大約2×103Ω·m減小到4×10-3Ω·m左右。利用這種特性就做成了各種不同用途的半導體器件，如半導體二極管、三極管、場效應晶體管及晶閘管等。

1.2.2電路的幾種狀態

（1）開路狀態（斷路狀態）

當電路的開關斷開時，稱為開路。其特征是電流為零，電源端的電壓值就是電源兩端的電動勢。檢修線路應在開路狀態下進行。在這種狀態下，電路不工作也不產生熱量。

（2）短路狀態

當電路中有電壓的兩點被電阻為零的導體連接時，稱為短路。其特征是電流很大。根據電流的熱效應，導體所消耗的電能為

若電阻消耗的電能全部轉換成熱能（Q=I2Rt），則會燒壞絕緣元件，損壞設備。為了防止短路，在電路中接熔絲。有時利用短路電流產生的高溫可進行金屬焊接等。

（3）額定工作狀態

對用電設備一般都規定額定電流。額定電流是指電氣設備長時間工作所允許通過的最大電流，用IN表示。實際電路小于IN時稱為輕載；等于IN時稱為滿載，滿載就是額定工作狀態；大于IN時稱為過載，過載是不允許的。有些設備不標出額定電流而標出額定電壓，即UN，標出額定功率PN。